KR20020069181A - 에프엠 전송신호 발생기용 전압조정 발진기의 집적회로 설계방법 - Google Patents

에프엠 전송신호 발생기용 전압조정 발진기의 집적회로 설계방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 FM 전송신호 발생기용 2.5V이하 저전압 칩구현에 사용하는 전압조정 발진기 (Voltage Controlled Oscillator, VCO) 회로에 관한 것이다. 일반적으로 전압조정 발진기는 인덕터(Inductor)와 커패시터(Capacitor)의 공진(Resonance)을 이용하여 구현하고 가변 커패시터(Varactor diode)를 사용하여 주파수를 조정한다
본 개발기술은 80MHz ~ 120MHz 대역의 FM 전송신호 발생기용 전압조정 발진기를 저전압(2.5V 이하) 구동이 가능한 반도체 칩으로 집적하기 위해 공통모드 궤환 (CMFB)회로가 불필요한 완전 차동 트랜스 콘덕턴스 증폭기를 고안하여 능동 인덕터를 구성함으로써 필요한 칩 면적을 줄였으며 완전 차동으로 구현하여 잡음에 대한 영향을 줄였다. 또한 증폭기의 자체 바이어스(Self-bias)에 의해 공통모드 궤환 회로를 제거하여 소비전력도 감소 시켰다. 그러므로 우수한 가격 대 성능비를 얻을 수 있다.

Description

에프엠 전송신호 발생기용 전압조정 발진기의 집적회로 설계 방법{Integrated Circuit Design of Voltage Controlled Oscillator(VCO) for FM Carrier Signal Generator}
본 발명은 80MHz~120MHz대역의 FM 전송신호 발생기용 2.5V 이하 저전압 칩구현에 사용하는 전압조정 발진기(Voltage Controlled Oscillator, VCO)회로에 관한 것이다. 일반적으로 전압조정 발진기는 인덕터(Inductor)와 커패시터(Capacitor)의 공진(Resonance)을 이용하여 구현하고 가변 커패시터(Varactor diode)를 사용하여주파수를 조정한다. 인덕터를 반도체 칩으로 구현할 때에는 구현에 필요한 면적이 너무 크게 되므로 실제 인덕터를 바로 구현하지 않고 트랜스 콘덕턴스 증폭기(OTA : Operational Transconductance Amplifier)를 이용한 능동(Active) 인덕터를 사용하여 구현하게 되는 경우가 있다. 고안한 전압조정 발진기는 완전 차동 트랜스 콘덕턴스 증폭기를 이용한 능동 인덕터를 구현하여 칩면적을 줄였고 사용한 증폭기의 트랜스 콘덕턴스를 변환하여 주파수를 쉽게 조정할 수 있게 하였다. 또한 트랜스 콘덕턴스 증폭기 구성시 완전 차동으로 구현하여 잡음에 대한 영향을 줄였으며 구현한 증폭기에 자체 바이어스(Self-bias)가 형성되도록 구성하여 완전차동 회로 구현에 필요한 공동모드 궤환(Common-mode Feedback, CMFB)회로의 필요성을 제거하였다.
일반적으로 인덕터를 반도체 칩으로 구현할 때에는 구현에 필요한 면적이 너무 크게 되므로 실제 인덕터를 바로 구현하지 않고 트랜스 콘덕턴스 증폭기를 이용한 능동 인덕터를 사용하여 구현하게 되는 경우가 있다. 이렇게 완전 차동 형태로 능동 인덕터를 사용한 발진기가 제1도에 나타나 있다. 여기서 GM 회로는 트랜스 콘덕턴스 증폭기를, CMFB는 공통모드 궤환(Common-Mode Feedback)회로를 나타내고 있다. 다음 제2도는 일반적인 발진기 개념으로써 능동회로 -R1저항이 공진기(Resonator)의 R2의 임피던스 값과 일치하게 될 때 발진하게 되는 것으로 이해할 수 있다.
-R1= R2
제1도에서 C1과 gm1,gm2는 능동 인덕터를 형성하고 이 능동 인덕터와 C0가 공진기를 형성한다. 이것은 제2도의를 형성하게 된다. 제 1도의 gm 관련 회로는이 되도록 연결 되어있다. R0는 출력 전류가 정현파 전압으로 나타날 수 있도록 하기 위해 추가한 것이다. 이 때 gm1= gm2= gm이고 C0= C1= C가 되도록 하면 발진 주파수는이 된다. 일반적으로 트랜스 콘덕턴스 증폭기의 gm은 드레인 전류가인 경우에 비례하므로 드레인 전류를 변화시키면 gm이 변하고 그 결과로 공진 주파수가 변하게 된다. 따라서 전압을 전류로 바꾸어 트랜스 콘덕턴스 증폭기 에 가하게 되면 전압조정 발진기(VCO)가 형성되게 된다. 이때 트랜스 콘덕턴스 증폭기를 효과적으로 설계 구현 하는 것이 이 전압 조정 발진기의 성능을 좌우하게 된다.
특히 2.5V이하의 저전압용 증폭기는 캐스코드(Cascode)형태의 증폭기를 사용할 수 없으며 출력신호의 변화(Swing)범위가 적어지는 등 많은 제약이 뒤따르게 된다. 또 제1도와 같이 잡음의 효과를 줄이기 위해 완전 차동(Fully differential) 형태로 구현하게 되면 공통모드 전압 DC 레벨이 변화하는 것을 방지하기 위하여 공통모드 궤환(CMFB)회로가 반드시 사용되어야 하고 그에 따른 소비전력도 증가하게 된다.
따라서 본 개발기술의 목적은 80MHz~120MHz대의 FM전송신호 발생기용 전압조정 발진기를 저전압(2.5V 이하) 구동이 가능한 반도체 칩으로 집적하기 위해 필요한 트랜스 콘덕턴스 증폭기를 고안하였다. 고안한 트랜스 콘덕턴스 증폭기를 사용하여 수동 인덕터를 능동 인덕터로 대체하여 필요한 칩 면적을 줄였으며 완전 차동으로 구현하여 잡음에 대한 영향을 줄였다. 또한 증폭기의 자체 바이어스(Self-bias)에 의해 공통모드 궤환회로를 제거 하여 칩면적뿐만 아니라 소비전력도 감소 시켰다.
도1은 능동 인덕터를 사용한 발진기
도2는 발진기 개념도
도3은 고안된 저전압 완전 차동 트랜스 콘덕턴스 증폭기
도4는 고안된 GM 회로를 이용한 FM전송 주파수용 전압조정 발진회로
도5는 고안된 전압조정기에 사용된 부저항(Negative Resistance) 회로
도6은 콘트롤 전압을 전류로 변환시키는 일반적인 회로
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
본 발명은 상기목적을 달성하기 위해서 완전 차동구조를 사용한 저전압 트랜스 콘덕턴스 증폭기 회로를 고안하였다. 고안된 트랜스 콘덕턴스 증폭기에서는DC 출력전압(공통 전압)을 결정하는 별도의 공통모드 궤환(CMFB) 회로가 불필요하며 밧데리 1개만 사용하는 휴대용 제품(1.5V 정도의 낮은 구동전압)에서도 사용할 수 있도록 고안하였다.
제3도는 고안된 저전압 트랜스 콘덕턴스 (gm) 증폭기 회로를 나타내고 있다. 입력신호는 MN1, MP1과 MN2, MP2 의 게이트(Gate)를 통해 차동(Vi+, Vi-)으로 받으며 출력신호는 MP3, MN4, MN5, MN6 및 MP3, MP4, MP5, MP6의 드레인(Drain)을 통해 입력과 마찬가지로 차동(Vo+, Vo-)으로 내보내게 된다. 즉 완전 차동 증폭기의 구조로 설계되었다. I1, 과 I2는 고안된 완전 차동 트랜스 콘덕턴스 증폭기의 트랜스 콘덕턴스를 조정하기 위한 전압조정 전류출력 회로이다.
제4도는 고안된 완전 차동 트랜스 콘덕턴스 증폭기를 이용한 FM전송 주파수용 전압조정 발진회로를 나타내고 있다. 완전 차동으로 구현하여 잡음에 대한 영향을 줄였으며 고안된 완전 차동 트랜스 콘덕턴스 증폭기는 자체 바이어스에 의해 공통모드 궤환(CMFB)회로를 제거하였다. 제4도의 고안된 전압조정 발진기의 입력은 V-I 변환 회로의 조정 전압이 되고 출력 발진신호는 Vo1+, Vo1- 또는 Vo2+, Vo2- 중 어느 한 쌍이 된다.
제4도의 gm1과 gm2는 제3도의 고안한 완전 차동 트랜스 콘덕턴스 증폭기이며 입출력이 서로 물려 있는 루프(Loop)를 형성하고 있다. 또한 발진을 시키기 위해 gm1의 입력 (Vo1+, Vo1-)과 gm2의 출력 (Vo1+, Vo1-)은 서로 정궤환(Positive feedback)을 이루고 있다.
R0는 전압조정 발진기를 구성하는 gm1 과 gm2 에서 발생하는 소신호 출력전류를 깨끗한 정현파 전압 신호로 변환한다.
C는 능동 인덕터를 구성하는 캐패시터(제1도의 C1과 같은)와 그 인덕터와 공진 하기 위한 캐패시터(제1도의 C0와 같은)를 같은 값으로 구현하여 대칭적인 구조를 유지하였다.
gmR은 구현한 능동 인덕터와 캐패시터의 공진(Resonance)을 위한 부저항(Negative resistance)회로이다. 부저항을 얻기 위해서는 NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor) 쌍(Pair) 또는 PMOS(P-channel MOS) 쌍(Pair)이 필요한데, 고안한 전압조정 발진기에 사용한 부저항 회로는 두가지를 모두 사용하였다.이를 구현하기 위한 회로가 제5도이다.
V-I 변환회로는 전압(V)을 전류(I)로 바꾸어 주는데 조정 입력전압이 들어오게 되면 제3도의 I1과 I2를 조절하여 완전 차동 트랜스 콘덕턴스 증폭기의 gm값을 변화시킨다. 제6도는 이를 구현하기 위한 회로이다. 제6도의 MN1에 콘트롤 전압이 가해지면 전류Ic는 MN1과 R, MP1에 흐르게 되고 이 전류는 MP1과 MP2, MP3에 의해 MP2와 MP3에 미러(Mirror)된다. 마찬가지로 MP2와 MN2에 흐르는 전류 Im은 MN2와 MN3에 미러 되어 제3도의 전류 I1과 I2를 조절하여 완전 차동 트랜스 콘덕턴스 증폭기의 gm값을 조정하게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 1.5V정도의 저전압에서도 동작할 수 있고 공통모드 궤환(CMFB)회로가 불필요한 완전 차동 트랜스 콘덕턴스 증폭기를 고안하여 능동 인덕터를 구성함으로써 밧데리 하나 또는 두개로 동작할 수 있는 FM전송 주파수(80MHz~120MHz)생성용 저전압 전압조정 발진기를 구현할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또 수동 인덕터를 사용하지 않으므로 칩면적을 현저하게 감소시키며 공통모드 궤환(CMFB)회로를 제거 하여 칩면적을 줄일 뿐 아니라 공통모드 궤환(CMFB)회로의 소모전력을 줄일 수 있으므로 우수한 가격 대 성능 비를 얻을 수 있다

Claims (1)

  1. 인덕터를 사용하지 않는 FM전송 주파수용 전압조정 발진기의 구조 및 회로 구성 방법(제4도)과 고안한 저전압 완전 차동 트랜스 콘덕턴스 증폭기(gm) 회로(제3도)및 그 회로를 이용한 전압조정 발진기를 본 개발기술의 권리로서 요구(청구) 합니다.
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